森林生態系統經營的規劃決策技術

劉延利 陳健 陳麗

摘 要：支撐森林生態系統經營的規劃決策技術方法主要包括：計算機和“3S”技術、檢査法、森林類型多樣性最大覆蓋模型、森林多目標經營規劃和林分擇伐空間結構優化分析等方法和技術。本文將介紹各項技術方法的內容和討論其在森林生態系統經營中的支撐作用。

關鍵詞：森林;生態系統;經營;規劃;決策;技術

一、計算機和“3S”技術

“3S”是遙感（RS）、地理信息系統（GIS）、全球定位系統（GPS）的總稱。它們是隨著電子、通信和計算機等尖端學科的發展而迅速崛起的一批高新技術，三者有著緊密的聯系在林業以及森林采伐規劃設計上有著廣泛的應用。

遙感是通過航空或航天傳感器來獲取信息的技術手段。利用遙感可以快速、廉價地得到地面物體的空間位置和屬性數據。近年來，隨著各種新型傳感器的研制和應用，使得遙感特別是航天遙感有了飛速發展。遙感影像的分辨率大幅度提高，渡譜范圍不斷擴大，特別是星載和機載成像雷達的出現，使遙感具有了多功能、多時相、全天候能力。在森林經營作業中，遙感技術主要用于作業區區劃、景觀分類和規劃以及大范圍的經營活動的動態監測中。

地理信息系統是以地理坐標為控制點，對空間數據和屬性數據進行管理和分析的技術工具。它的特點是，可以將空間特征和屬性特征緊密地聯系起來，進行交互方式的處理，結合各種地理分析模型，進行區域分析和評價。森林經營作業中，地理信息系統能夠提供各種基礎信息（地形、河流、道路等）和專業信息的空間分布，利用它的分析功能可以進行作業區劃、道路、集運材、伐區作業、更新等的設計和決策。

目前，計算機和“3S”技術的研究十分活躍，它的應用也已產生非常顯著的效益。顯示了巨大的發展潛力。隨著計算機軟硬件技術水平的不斷提高，“3S”技術將不斷完善，并與決策支持系統、人工智能技術、多媒體等技術相結合，成為一門高度集成的綜合技術，將在森林生態系統經營中開辟更廣闊的應用領域。

二、檢查法

檢査法是一種集約經營的方法，它是通過定期的森林調查，觀察森林結構、蓄積量和生長量的變化作為確定下一個經理期采伐量的依據。通過擇伐作業使林分保持穩定、復雜的結構。最早提出檢查法的是法國林學家顧爾諾，他于1863～1875年在朱羅村有林地中進行了檢查法試驗。后來又經瑞士林學家畢奧萊在瑞士納沙臺爾州的特拉威爾峽谷的公有林中，對檢查法進行了畢生試驗。在瑞士和北歐許多地方一直持續至今，森林資源的連續清查和其他定期調查都是在此基礎上發展起來的。它的經營思想目前仍有較高的指導意義。

一般認為，生物多樣性包括基因多樣性、物種多樣性、生態系統多樣性和景觀多樣性4個層次。究竟從哪個層次上來保護生物多樣性才更有效，這是擺在我們面前的問題。傳統的方法是保護稀有種和瀕危種。但是，單純保護某一個物種的作用是十分有限的。生物多樣性保護最有效的途徑不是對單個物種的保護，而是把生物多樣性保護的空間尺度放在生態系統和景觀水平。因為，在生物多樣性保護中，較髙等級層次能兼容和限制低等級層次的行為。只有在位于高層次的整個生態系統和景觀得以保護后，那些“不起眼”的物種才能得到保護。也就是說，生物多樣性保護應當從高等級層次入手。

三、森林多目標經營規劃技術

森林可持續經營要求實現森林經營的多個目標，但這些目標常常是相互沖突的，因此需要通過多目標規劃來實現。森林經營規劃主要在三個層次上進行：戰略、戰術和作業規劃。在戰略規劃中確定長遠的目標，側重于實現超過十年的長期目標，景觀規劃主要在這個層次。如野生動植物棲息地，荒野保護，或木材采伐量指標。在這個水平上的主要決策，與大面積土地上較長規劃期內的土地利用分配和投入產出的目標累計有關。當戰略規劃層次的可選經營方案很多時，經營決策者就會做出相關的所謂中間或戰術計劃。在這個層面的決策包括：規劃詳細的經營區或經營單位、道路建設、采運以及為縮短規劃時限確定一個最優計劃第三個層面是所謂的作業層次，涉及確定一個區域的森林土地利用計劃，代表著短期的森林作業的問題，如采集、生產、采運、種植、病蟲害防治、林火管理、以及道路建設和維護。

森林多目標規劃問題通常包括建立目標函數、確定約束條件和利用優化算法求解結果三個步驟。森林多目標函數主要包括經濟和商品生產、野生動植物生境、生物多樣性、娛樂游憩和其他目標五大類別。森林多目標規劃約束包括經濟和商品生產、水流、碳貯存、森林結構、野生動植物、最大最小收獲年齡和其他約束六大類別。優化方法已經成功應用到森林規劃方面，使用優化方法建立模型可以得到森林可持續經營的最佳決策方案。線性規劃方程巳經無力處理空間約束和理想空間條件問題?，F在應用比較廣泛的箅法有人工神經網絡、混沌優化、蒙特卡洛整數規劃、模擬退火算法、遺傳箅法、禁忌搜索算法等。

四、林分結構化經營技術

結構化森林經營是一套完整的、新的森林可持續經營體系，包括經營目標、理論基礎、經營原則和經營方法與技術。之所以在“森林經營”前面冠以“結構化”，其用意在于強調“結構優化”，以區別于傳統的森林經營。結構化森林經營在總結國際上現有森林經營理論與方法的基礎上，汲取了德國近自然森林經營的原則，將培育健康穩定森林作為終極目標，創造性地以優化空間結構為手段，按照林分自然度和經營迫切性確定經營方向，對建群種競爭、林木格局、樹種混交等進行有的放矢的調整。結構的重要性、可解析性和健康森林結構特征構成了結構化森林經營的理論基礎。

五、林分擇伐空間優化系統

林分空間結構決定了樹木之間的競爭優勢及其空間生態位，在很大程度上影響著林分生長、發育與穩定性。林分空間結構被認為是決定生境和物種多樣性的重要因子。目前，林分空間結構分析已成為國際上天然林經營模擬技術的主要研究內容。

林分結構包括空間結構和非空間結構?？臻g結構主要包括：混交、競爭和林木空間分布格局3個方面。非空間結構包括：徑級結構、生長量和樹種多樣性等。生態過程和干擾都影響林分結構。疏伐是對實施經營的林地最重要的干擾。采伐直接影響林分的空間結構和非空間結構，而空間結構的變化又產生對非空間結構的影響。合理的擇伐是調整林分空間結構的手段，以便充分發揮森林的功能。

因此，在林分擇伐規劃中引入林分空間結構，建立林分擇伐空間優化模型，旨在為林分擇伐提供決策依據，以便在確定是否采伐某一空間位置上的林木時有充分的理由。由于林分空間結構包括多個方面。所以，擇伐規劃必然是多目標規劃。在最優結構決定最優功能的假設前提下，采用非線性多目標整數規劃建立模型。模型以林分空間結構為目標，以非空間結構（林分結構多樣性、生態系統進展演替和采伐量不超過生長量為主要約束條件，使林分空間結構達到最優狀態，以便最大限度地保持系統的結構完整性，充分發揮森林的多種功能。求解此模型可以獲得最優采伐方案，包括最優采伐木信息和采伐前后森林結構的變化。從而為生態采伐中采伐木的選擇提供了具有科學性和可操作性的技術和方法。

結 語

將以上思想和模型，采用面向對象程序設計方法，結合計算機技術，研制成林分擇伐空間優化系統軟件，成為擇伐設計的有力工具。使用該軟件，可以實現林分采伐方案的優化設計，提高采伐規劃設計的科學性和技術水平。

參考文獻

[1] 郭明、郭大有，森林分類經營的戰略研究.林業勘查設計.2016.7

[2] 郭熙得主編，發展經濟學經典論著選.中國經濟出版社.2010.6。